Страница 7 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Каковы были взгляды виталистов на получение органических веществ?

1. Витализм — это учение, которое было доминирующим в биологии и химии до середины XIX века. Основной постулат этого учения заключался в том, что все процессы в живых организмах, включая образование органических веществ, подчиняются не только физическим и химическим законам, но и действию особой нематериальной «жизненной силы» (лат. vis vitalis).

Согласно взглядам виталистов, органические вещества принципиально отличались от неорганических. Они считали, что:

• Органические соединения могут быть синтезированы только живыми организмами (растениями и животными).
• Создание органических веществ из неорганических в лабораторных условиях (in vitro) невозможно, так как в пробирке отсутствует «жизненная сила».
• Химия была четко разделена на неорганическую, изучающую вещества минерального мира, и органическую, изучающую вещества, полученные из организмов.

Эти взгляды были широко распространены и поддерживались авторитетными учеными того времени, например, Йёнсом Якобом Берцелиусом.

Однако теория витализма была опровергнута серией экспериментов. Ключевым событием стал синтез мочевины из неорганического вещества (цианата аммония) немецким химиком Фридрихом Вёлером в 1828 году. Мочевина является продуктом жизнедеятельности животных, то есть бесспорно органическим веществом.

Реакция Вёлера: $NH_4CNO \xrightarrow{нагревание} (NH_2)_2CO$

Этот и последующие синтезы других органических веществ (например, уксусной кислоты Г. Кольбе в 1845 г., жиров М. Бертло в 1854 г.) доказали, что между органическими и неорганическими веществами нет непреодолимой пропасти и их образование подчиняется одним и тем же законам природы. Это привело к падению витализма и бурному развитию органической химии как науки о соединениях углерода.

Ответ: Виталисты придерживались взгляда, что органические вещества могут образовываться исключительно в живых организмах благодаря действию особой «жизненной силы» (vis vitalis), и категорически отрицали возможность их синтеза из неорганических веществ в лабораторных условиях.

2. Какие учёные экспериментально доказали ошибочность взглядов виталистов? Кратко охарактеризуйте открытия этих учёных.

Витализм — это учение, согласно которому все процессы в живых организмах происходят под действием особой нематериальной «жизненной силы» (лат. vis vitalis). Сторонники витализма (виталисты) полагали, что органические вещества, в отличие от неорганических, могут образовываться только в живых организмах благодаря этой силе. Ошибочность этих представлений была доказана серией экспериментальных открытий в химии и биологии.

Фридрих Вёлер

Немецкий химик Фридрих Вёлер в 1828 году нанёс первый серьёзный удар по теории витализма. Он пытался получить неорганическое вещество цианат аммония ($NH_4CNO$) путём реакции между цианатом калия и сульфатом аммония. При выпаривании полученного раствора он обнаружил образование бесцветных кристаллов, которые по своим свойствам оказались идентичны мочевине ($(NH_2)_2CO$) — органическому продукту жизнедеятельности животных. Таким образом, Вёлер впервые синтезировал органическое вещество из неорганических вне живого организма.

Упрощённая схема реакции, которая произошла при нагревании водного раствора цианата аммония:

$NH_4CNO \xrightarrow{t} (NH_2)_2CO$

Ответ: Фридрих Вёлер экспериментально доказал возможность синтеза органического вещества (мочевины) из неорганического (цианата аммония), тем самым показав, что для этого не требуется участие «жизненной силы» живого организма.

Герман Кольбе и Марселен Бертло

Последующие открытия закрепили успех в борьбе с витализмом. В 1845 году немецкий химик Герман Кольбе синтезировал уксусную кислоту — ещё одно важное органическое вещество — из неорганических исходных материалов (угля, серы, хлора и воды). Французский химик-органик Марселен Бертло в 1850-х – 1860-х годах провёл целую серию синтезов, получив из неорганических веществ метан, этилен, ацетилен, бензол, а также синтезировал жиры из глицерина и жирных кислот. Эти многочисленные эксперименты доказали, что синтез органических соединений в лаборатории является не случайностью, а закономерным процессом, подчиняющимся общим законам химии.

Ответ: Герман Кольбе (синтез уксусной кислоты) и Марселен Бертло (синтез углеводородов и жиров) своими работами продемонстрировали, что сложные органические вещества могут быть получены из неорганических, окончательно стерев границу, которую виталисты проводили между органическим и неорганическим миром.

Эдуард Бюхнер

Окончательный удар по витализму в области биологических процессов нанёс немецкий учёный Эдуард Бюхнер в 1897 году. Долгое время считалось, что процесс спиртового брожения неразрывно связан с жизнедеятельностью дрожжевых клеток и является проявлением их «жизненной силы». Бюхнер провёл эксперимент, в котором он тщательно растер дрожжевые клетки с песком и кварцем, а затем отжал полученную массу под высоким давлением. Полученный бесклеточный дрожжевой сок, не содержавший живых клеток, оказался способен сбраживать сахар с образованием спирта и углекислого газа. Это открытие доказало, что жизненные процессы, такие как брожение, обусловлены не мистической силой, а действием конкретных химических веществ — ферментов (или энзимов), которые содержатся в клетках.

Ответ: Эдуард Бюхнер экспериментально показал, что биохимический процесс (брожение) может протекать вне живой клетки под действием выделенных из неё веществ (ферментов), тем самым сведя биологические процессы к химическим реакциям и опровергнув необходимость «жизненной силы» для их осуществления.

3. Какие вещества называют органическими? Какие элементы могут входить в состав органических веществ?

Какие вещества называют органическими?
Органическими веществами называют обширный класс химических соединений, основу которых составляет углерод (C). Исторически это название возникло из-за виталистической теории, согласно которой такие вещества могут образовываться только в живых организмах («органиках»). Однако в 1828 году Фридрих Вёлер синтезировал мочевину из неорганического цианата аммония, опровергнув эту теорию и заложив основы современной органической химии.
Ключевой особенностью органических соединений является уникальная способность атомов углерода образовывать прочные ковалентные связи друг с другом, формируя длинные цепи (линейные и разветвленные) и циклы. Эти углеродные "скелеты" являются основой для огромного разнообразия органических молекул.
Более точное современное определение гласит, что органические соединения — это углеводороды (соединения, состоящие только из углерода и водорода) и их производные, в которых один или несколько атомов водорода замещены на другие атомы или группы атомов (функциональные группы).
Важно отметить, что существует ряд простых соединений углерода, которые по своим свойствам и строению традиционно относят к неорганическим. К ним относятся: оксид углерода(II) ($CO$), оксид углерода(IV) ($CO_2$), угольная кислота ($H_2CO_3$) и её соли (карбонаты и гидрокарбонаты), цианиды, карбиды и некоторые другие.
Ответ: Органические вещества — это класс соединений углерода, а именно углеводороды и их производные. Исключение составляют некоторые простейшие соединения углерода (например, оксиды, карбонаты, цианиды), которые относят к неорганическим.

Какие элементы могут входить в состав органических веществ?
Основой абсолютно всех органических веществ является химический элемент углерод (C).
Почти всегда в состав органических молекул входит и водород (H).
Элементы, которые помимо углерода и водорода наиболее часто встречаются в составе органических соединений, называют органогенными элементами. К ним относятся кислород (O) и азот (N). Эти четыре элемента (C, H, O, N) составляют основу подавляющего большинства органических молекул, в том числе и важнейших биополимеров — белков и нуклеиновых кислот.
Кроме них, в состав органических соединений также часто входят:

• Сера (S) — содержится в некоторых аминокислотах (цистеин, метионин), витаминах.
• Фосфор (P) — является ключевым элементом в нуклеиновых кислотах (ДНК, РНК), АТФ, фосфолипидах.
• Галогены: фтор (F), хлор (Cl), бром (Br), йод (I). Они входят в состав галогенпроизводных углеводородов.

Значительно реже, но все же могут встречаться и другие элементы, включая металлы (в составе металлоорганических соединений или солей органических кислот) и неметаллы (например, кремний, селен, бор).
Ответ: Обязательным элементом является углерод (C). Почти всегда присутствует водород (H). Наиболее часто также встречаются кислород (O), азот (N), сера (S), фосфор (P) и галогены (F, Cl, Br, I).

4. Почему органическую химию выделили в отдельный раздел химии?

Органическую химию выделили в отдельный большой раздел химии по ряду фундаментальных причин, которые касаются как истории науки, так и уникальных свойств самого предмета изучения — соединений углерода.

Исторические предпосылки и теория витализма

Изначально, в XVIII – начале XIX века, химия была разделена на органическую и неорганическую на основе происхождения веществ. Считалось, что органические вещества могут образовываться только в живых организмах (растениях, животных) под действием особой "жизненной силы" (лат. vis vitalis). Этот подход назывался витализмом. Неорганические же вещества относились к миру неживой природы. Разрушение теории витализма началось в 1828 году, когда немецкий химик Фридрих Вёлер синтезировал в лаборатории мочевину (органическое вещество) из неорганического цианата аммония. Однако к этому времени разделение уже прочно вошло в научный обиход и было сохранено по другим, более веским причинам.

Огромное многообразие соединений углерода

Главная современная причина — это колоссальное количество и разнообразие органических соединений. Их число превышает 50 миллионов и постоянно растёт, в то время как неорганических веществ известно лишь несколько сотен тысяч. Такое многообразие объясняется уникальными свойствами атома углерода:

• Способность к катенации: Атомы углерода могут соединяться друг с другом в длинные и прочные цепи (линейные, разветвленные) и циклы.
• Четырехвалентность: Атом углерода всегда образует четыре ковалентные связи, что позволяет создавать сложные, объемные структуры.
• Образование кратных связей: Углерод способен образовывать не только одинарные, но и двойные, и тройные связи с другими атомами углерода и с атомами других элементов (O, N и др.).

Изучение такого огромного класса соединений требует собственных методов анализа, синтеза и классификации, что делает органическую химию самостоятельной дисциплиной.

Явление изомерии

Для органических соединений крайне характерно явление изомерии: существование веществ с одинаковой молекулярной формулой, но разным строением и, соответственно, разными свойствами. Например, формуле $C_2H_6O$ соответствуют два разных вещества (этанол и диметиловый эфир), а формуле $C_{10}H_{22}$ — уже 75 изомеров. В неорганической химии изомерия встречается значительно реже и не имеет такого разнообразия.

Специфика свойств и химических реакций

Свойства органических веществ существенно отличаются от свойств неорганических. В большинстве органических молекул преобладают ковалентные неполярные или слабополярные связи, что обусловливает их низкие температуры плавления и кипения, летучесть, горючесть и плохую растворимость в воде. Реакции с участием органических веществ, как правило, протекают медленнее, требуют определённых условий (температура, катализаторы) и часто приводят к образованию смеси продуктов. Это отличает их от быстрых ионных реакций, характерных для многих неорганических соединений.

Органическая химия — химия жизни

Органические соединения составляют основу всего живого на Земле. Белки, нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК), углеводы, липиды, витамины — все это органические молекулы. Поэтому органическая химия тесно связана с биологией, медициной, фармакологией и биотехнологией, что также подчёркивает её особый статус.

Ответ: Органическую химию выделили в отдельный раздел из-за огромного количества и разнообразия соединений углерода, что обусловлено уникальной способностью его атомов образовывать прочные цепи и циклы. Исторически разделение было связано с теорией "жизненной силы", но после её опровержения оно сохранилось благодаря специфическим свойствам органических веществ (особенности химических связей, широкое распространение изомерии, особые типы реакций) и их фундаментальной роли как основы всех живых организмов.

5. Поясните, какие затруднения возникли в развитии органической химии в середине XIX в.

В середине XIX века органическая химия столкнулась с рядом серьезных затруднений, которые можно охарактеризовать как глубокий теоретический кризис на фоне быстрого накопления экспериментальных данных. Эти трудности были вызваны несколькими ключевыми факторами.

Во-первых, после того как синтез мочевины Фридрихом Вёлером в 1828 году подорвал основы витализма (учения о «жизненной силе»), начался стремительный рост числа синтезируемых и выделяемых из природных источников органических веществ. К 1850-м годам их количество было огромным, но все эти знания были разрозненными. Химики имели дело с лавиной фактов, которую невозможно было систематизировать и обобщить из-за отсутствия единой теоретической базы.

Во-вторых, главной проблемой было полное отсутствие теории химического строения. Ученые могли определять элементный состав соединений, но не имели представления о порядке соединения атомов в молекуле и о природе химических связей. Это делало неразрешимой проблему изомерии — явления, когда вещества одинакового состава (например, этиловый спирт и диметиловый эфир с формулой $C_2H_6O$) обладают совершенно разными физическими и химическими свойствами. Существовавшие теории, такие как «теория радикалов» (рассматривавшая молекулы как совокупность неизменных атомных групп) и «теория типов» (классифицировавшая вещества по аналогии с простейшими неорганическими соединениями), были лишь временными и неполными моделями. Они не могли объяснить все многообразие органических реакций и часто противоречили друг другу.

В-третьих, отсутствовало ясное понимание фундаментальных химических понятий. Понятие валентности еще не было сформулировано. Лишь в 1857–1858 годах Фридрих Август Кекуле и Арчибальд Скотт Купер независимо друг от друга высказали гениальную идею о четырехвалентности углерода и его способности образовывать цепи. Кроме того, в научном сообществе царила путаница в отношении атомных и молекулярных масс. Работы Амедео Авогадро не были признаны, и химики часто использовали неверные значения атомных масс (например, для углерода — 6 вместо 12, для кислорода — 8 вместо 16), что приводило к неверным брутто-формулам и делало невозможным построение адекватной теории. Эта проблема была решена только на Международном конгрессе химиков в Карлсруэ в 1860 году.

Таким образом, середина XIX века стала для органической химии временем «кризиса роста», когда объем накопленных знаний значительно опережал теоретическое осмысление, создавая непреодолимые на тот момент препятствия для дальнейшего развития.

Ответ: В середине XIX века развитие органической химии было затруднено из-за следующих причин: 1) огромное количество накопленных, но несистематизированных экспериментальных данных; 2) отсутствие теории химического строения, которая могла бы объяснить явление изомерии и предсказать свойства соединений; 3) противоречивость и неполнота существовавших теорий (теории радикалов и теории типов); 4) отсутствие общепринятой системы атомных масс и фундаментального понятия валентности, что мешало правильному определению состава и строения молекул.

1. Формулы только органических веществ записаны в ряду

1) $CH_4$, $CO_2$, $C_2H_6$

2) $C_2H_2$, $C_2H_6$, $C_6H_6$

3) $C_2H_4$, $Na_2CO_3$, $C_3H_8$

4) $C_2H_5OH$, $C_2H_2$, $CO$

Для правильного ответа на вопрос необходимо проанализировать состав веществ в каждом ряду и определить, какие из них относятся к органическим, а какие — к неорганическим.

Органические вещества — это соединения углерода, как правило, содержащие связи углерод-водород ($C-H$). К неорганическим соединениям углерода традиционно относят его оксиды ($CO$, $CO_2$), угольную кислоту ($H_2CO_3$) и её соли (карбонаты, например $Na_2CO_3$), цианиды и некоторые другие простые соединения.

Рассмотрим каждый вариант:

1) $CH_4$, $CO_2$, $C_2H_6$
В этом ряду $CH_4$ (метан) и $C_2H_6$ (этан) являются органическими веществами (углеводородами). Однако $CO_2$ (диоксид углерода) — это неорганическое вещество. Следовательно, этот ряд не подходит.

2) $C_2H_2$, $C_2H_6$, $C_6H_6$
$C_2H_2$ (ацетилен) — органическое вещество (углеводород).
$C_2H_6$ (этан) — органическое вещество (углеводород).
$C_6H_6$ (бензол) — органическое вещество (углеводород).
Все вещества в данном ряду являются органическими.

3) $C_2H_4$, $Na_2CO_3$, $C_3H_8$
В этом ряду $C_2H_4$ (этен) и $C_3H_8$ (пропан) — органические вещества. Однако $Na_2CO_3$ (карбонат натрия) — это неорганическая соль. Следовательно, этот ряд не подходит.

4) $C_2H_5OH$, $C_2H_2$, $CO$
В этом ряду $C_2H_5OH$ (этанол) и $C_2H_2$ (ацетилен) — органические вещества. Однако $CO$ (монооксид углерода) — это неорганический оксид. Следовательно, этот ряд также не подходит.

Таким образом, единственным рядом, в котором содержатся формулы только органических веществ, является ряд под номером 2.

Ответ: 2

2. Первым учёным, синтезировавшим органическое вещество из неорганических, был

1) А. М. Бутлеров

2) М. В. Ломоносов

3) Ф. Кекуле

4) Ф. Вёлер

Вопрос касается ключевого события в истории химии — первого синтеза органического вещества из неорганических. До этого синтеза в науке господствовала теория витализма, которая утверждала, что органические соединения могут образовываться только в живых организмах благодаря некой «жизненной силе» (vis vitalis).

Рассмотрим вклад каждого из упомянутых учёных:

1) А. М. Бутлеров. Выдающийся русский химик, создатель теории химического строения органических соединений. Его работы заложили фундаментальные основы современной органической химии, но он не был первым, кто синтезировал органику из неорганики, так как его основные труды относятся ко второй половине XIX века.

2) М. В. Ломоносов. Великий русский учёный-энциклопедист XVIII века. Он внёс огромный вклад в развитие химии, в частности, сформулировал закон сохранения массы. Однако он жил и работал задолго до описываемых событий и разделения химии на органическую и неорганическую в современном понимании.

3) Ф. Кекуле. Немецкий химик, прославившийся предложением циклической структуры для молекулы бензола. Его работа, как и работа Бутлерова, была крайне важна для понимания строения органических соединений, но она последовала уже после опровержения витализма.

4) Ф. Вёлер. Немецкий химик, который в 1828 году осуществил синтез, изменивший ход развития химии. При попытке получить неорганическое вещество цианат аммония ($NH_4NCO$) путём нагревания его раствора, он неожиданно получил кристаллы мочевины ($(NH_2)_2CO$) — вещества, которое до этого считалось исключительно продуктом жизнедеятельности живых организмов. Уравнение этой реакции, известной как синтез Вёлера, выглядит так: $NH_4NCO \xrightarrow{нагревание} (NH_2)_2CO$. Этот эксперимент наглядно продемонстрировал, что органические вещества могут быть получены в лаборатории из неорганических исходных материалов без участия «жизненной силы», что нанесло решающий удар по теории витализма.

Следовательно, первым учёным, синтезировавшим органическое вещество из неорганических, был Фридрих Вёлер.

Ответ: 4) Ф. Вёлер